(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率および強度に優れた燃料電池であって、固体電解質膜の膨潤時に、その膨潤により生じる歪を緩和することができる固体電解質膜を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配設された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、上記固体電解質膜は、高イオン交換容量領域１と、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置し上記高イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域２と、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し上記中間イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域３とを有する燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に配設された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、前記固体電解質膜は、高イオン交換容量領域と、前記高イオン交換容量領域の外縁に位置し前記高イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域と、前記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し前記中間イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域と、を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質膜は、固定部材によって固定化されるシール部と、前記シール部の内縁に位置する非シール部と、を有し、前記低イオン交換容量領域が、前記シール部の全部および前記非シール部の一部に存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質膜の膨潤時に、その膨潤により生じる歪を緩和することができる固体電解質膜を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に、固体電解質膜の両側に触媒電極層（アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層）が接合された膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に配置されたガス拡散層と、このガス拡散層の外側に配置されたセパレータとを有するものである。また、燃料電池は、水素および酸素を使用して電気化学反応により発電する電池であり、水以外の反応生成物が生成せず、クリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
現在、燃料電池の主要構成部品である固体電解質膜として、デュポン株式会社のＮａｆｉｏｎ（商品名）に代表されるフッ素系電解質、あるいは炭化水素系電解質膜等が用いられている。しかしながら、このような固体電解質膜は、高いプロトン伝導性が要求されるため、通常、スルホン酸基等のプロトン伝導基を豊富に含むものであり、燃料電池の電気化学反応により生じる水等の水分により、膨潤し易いという性質があった。そのため、燃料電池の運転・停止に伴って固体電解質膜が膨潤収縮を繰り返すことにより、固体電解質膜が破断したり、固体電解質膜が触媒電極層と剥離する等の問題があった。
【０００４】
このような問題に対して、特許文献１においては、固体電解質膜および触媒電極層の接合部と、上記接合部以外の部分と、で異なる２種類のイオン交換容量を有する固体電解質膜が開示されている。特許文献１においては、上記接合部以外の部分、特にシール部のイオン交換容量を低くすることにより、シール部周辺に生じる固体電解質膜の破断を抑制することを目的とするものであった。しかしながら、より発電効率および強度に優れた燃料電池を作製するためには、上記接合部のイオン交換容量をより高くし、上記接合部以外の部分のイオン交換容量をより低くする必要がある。上記特許文献１に開示された固体電解質膜において、上記接合部と、上記接合部以外の部分とのイオン交換容量の差を大きくした場合、膨潤度の差によって歪が生じ、固体電解質膜が破断してしまうという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２３１３６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、発電効率および強度に優れた燃料電池であって、固体電解質膜の膨潤時に、その膨潤により生じる歪を緩和することができる固体電解質膜を備えた燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明においては、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配設された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、上記固体電解質膜は、高イオン交換容量領域と、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置し上記高イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域と、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し上記中間イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域と、を有することを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００８】
本発明によれば、上記固体電解質膜が、高イオン交換容量領域と低イオン交換容量領域との間に、緩衝領域である中間イオン交換容量領域を有することによって、発電効率および強度に優れた燃料電池とすることができる。
【０００９】
上記発明においては、上記固体電解質膜は、固定部材によって固定化されるシール部と、上記シール部の内縁に位置する非シール部と、を有し、上記低イオン交換容量領域が、上記シール部の全部および上記非シール部の一部に存在することが好ましい。低イオン交換容量領域がシール部の全部に存在し、かつ、非シール部の一部にも存在することで、より固体電解質膜の破断が生じ難くすることができるからである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、発電効率および強度に優れた燃料電池であって、膨潤度の差により生じる歪を緩和することができる固体電解質膜を備えた燃料電池を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の燃料電池は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配設された触媒電極層とを少なくとも備えた燃料電池であって、上記固体電解質膜は、高イオン交換容量領域と、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置し上記高イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域と、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し上記中間イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域と、を有することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、上記固体電解質膜が、高イオン交換容量領域と低イオン交換容量領域との間に、緩衝領域である中間イオン交換容量領域を有することによって、発電効率および強度に優れた燃料電池とすることができる。
【００１４】
ここで、まず本発明に用いられる固体電解質膜について図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明に用いられる固体電解質膜の一例を示す概略平面図である。スルホン酸基等を豊富に有し、イオン交換容量が高い高イオン交換容量領域１と、高イオン交換容量領域１の外縁に位置し高イオン交換容量領域１よりイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域２と、中間イオン交換容量領域２の外縁に位置し中間イオン交換容量領域２よりイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域３と、を有するものである。また、図１（ｂ）は、上記固体電解質膜の概略断面図である。また、後述する「（５）固体電解質膜」で説明するように、燃料電池を作製する際に、低イオン交換容量領域３の近辺がシール部となる。
【００１５】
次に、従来の固体電解質膜および本発明に用いられる固体電荷質膜における、膨潤時に生じる歪について説明する。図２は、従来の固体電解質膜の断面の一部を示す概略図である。従来の固体電解質膜として、高イオン交換容量領域１と、低イオン交換容量領域３とを有するものがあった。上述したように、より発電効率および強度に優れた燃料電池を作製するためには、高イオン交換容量領域１のイオン交換容量をより高くし、低イオン交換容量領域３のイオン交換容量をより低くする必要があった。このような場合、固体電解質膜が膨潤した際、図２（ｂ）に示すように、両者の領域の膨潤度の違いから歪Δαが大きくなり（図２（ｂ）においてＡで示される角度が大きくなり）、高イオン交換容量領域１と低イオン交換容量領域３との間に破断が生じる場合があった。
【００１６】
これに対して、本発明に用いられる固体電解質膜は、例えば図３（ａ）に示すように、高イオン交換容量領域１と低イオン交換容量領域３との間に、緩衝帯である中間イオン交換容量領域２を有するものである。本発明においては、図３（ｂ）に示すように、固体電解質膜が膨張した場合であっても、低イオン交換容量領域３と中間イオン交換容量領域２との間に生じる歪Δβは、上述した歪Δαより小さくなる（図３（ｂ）においてＢで示される角度が、図２（ｂ）におけるＡよりも小さくなる。）。同様に、中間イオン交換容量領域２と高イオン交換容量領域１との間に生じる歪Δγについても、上述した歪Δαより小さくなる（同様に図３（ｂ）においてＣで示される角度が、図２（ｂ）におけるＡよりも小さくなる。）。すなわち、中間イオン交換容量領域２が緩衝帯として機能する結果、固体電解質膜が破断することを抑制することができるのである。
以下、本発明の燃料電池の各構成について説明する。
【００１７】
１．固体電解質膜
まず、本発明に用いられる固体電解質膜について説明する。本発明に用いられる固体電解質膜は、高イオン交換容量領域と、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置し上記高イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い中間イオン交換容量領域と、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し上記中間イオン交換容量領域よりもイオン交換容量が低い低イオン交換容量領域とを有するものである。このような固体電解質膜の一例としては、上述した図１に示すもの等を挙げることができる。
【００１８】
また、本発明に用いられる固体電解質膜は、通常、プロトン伝導性を有しないベースフィルムに対して、プロトン伝導基を付与することによって得ることができる。そこで、まず本発明に用いられるベースフィルムについて説明し、次いで各イオン交換容量領域について説明する。
【００１９】
（１）ベースフィルム
まず、本発明に用いられるベースフィルムについて説明する。本発明に用いられるベースフィルムとしては、所望のイオン交換容量領域を形成することができ、固体電解質膜を得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系材料を挙げることができる。具体的には、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン樹脂（ＰＥＳ）、ポリフェニレンオキサイド樹脂（ＰＰＯ）、ポリベンゾイミダゾール樹脂（ＰＢＩ）等を挙げることができ、中でもポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン酸樹脂が好ましく、特にポリフェニレンサルファイド樹脂がより好ましい。上記樹脂はプロトン伝導基を導入し易いからである。
【００２０】
また、本発明に用いられるベースフィルムの破断応力としては、特に限定されるものではないが、具体的には５０ＭＰａ以上であることが好ましい。膨潤収縮による破断が生じ難い固体電解質膜を得ることができるからである。また、本発明に用いられるベースフィルムの膜厚としては、固体電解質膜とした場合に、良好なプロトン伝導性等を発揮することができる膜厚であることが好ましい。固体電解質膜の好適な膜厚については、後述する「（５）固体電解質膜」で説明する。
【００２１】
また、本発明に用いられるベースフィルムは、プロトン伝導基が付与されることにより、固体電解質膜となる。本発明に用いられるプロトン伝導基としては、特に限定されるものではないが、具体的には、スルホン酸基、カルボキシル基、ホスファイト基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基等を挙げることができ、中でもスルホン酸基が好ましい。プロトン伝導性に優れているからである。また、本発明に用いられるベースフィルムにプロトン伝導基を付与する方法については、後述する「（６）固体電解質膜の製造方法」で詳細に説明する。
【００２２】
（２）高イオン交換容量領域
次に、本発明における高イオン交換容量領域について説明する。本発明における高イオン交換容量領域は、後述する中間イオン交換容量領域よりも高いイオン交換容量を有する領域である。
【００２３】
上記高イオン交換容量領域のイオン交換容量としては、後述する中間イオン交換容量領域よりも高いイオン交換容量領域を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば０．９ｍｅｑ／ｇ以上、中でも１．０〜２．５ｍｅｑ／ｇの範囲内、特に１．２〜２．０ｍｅｑ／ｇの範囲内であることが好ましい。
【００２４】
また、上記高イオン交換容量領域は、後述する低イオン交換容量領域と比較して、より大きなイオン交換容量を有していることが好ましい。両者のイオン交換容量の差が大きい程、発電効率および強度に優れた燃料電池を作製することができるからである。高イオン交換容量領域と低イオン交換容量領域とのイオン交換容量の差は、特に限定されるものではないが、例えば０〜０．９ｍｅｑ／ｇの範囲内、中でも０〜０．５ｍｅｑ／ｇの範囲内であることが好ましい。
【００２５】
なお、通常、ある領域内のイオン交換容量は、その領域に存在するイオン交換基の量によって規定される。また、一般的な燃料電池において、イオン交換基は、プロトン伝導を担うプロトン伝導基である。すなわち、上記高イオン交換容量領域は、後述する他のイオン交換容量領域に比べて、プロトン伝導基を豊富に有するものである。
【００２６】
また、上記高イオン交換容量領域の形状としては、特に限定されるものではなく、燃料電池全体の形状等を考慮して任意に設定することができる。例えば、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、正方形、長方形、円形、楕円形等を挙げることができる。
【００２７】
また、上記高イオン交換容量領域の面積が固体電解質膜全体に占める割合としては、特に限定されるものではないが、具体的には７５〜９５％の範囲内、中でも８０〜９０％の範囲内であることが好ましい。
【００２８】
（３）中間イオン交換容量領域
次に、本発明における中間イオン交換容量領域について説明する。本発明における中間イオン交換容量領域は、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置し、上記高イオン交換容量領域より低いイオン交換容量を有し、かつ後述する低イオン交換容量領域より高いイオン交換容量を有する領域である。
【００２９】
上記中イオン交換容量領域のイオン交換容量としては、上述した高イオン交換容量より低く、後述する低イオン交換容量領域よりも高いイオン交換容量領域を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば０．４〜１．２ｍｅｑ／ｇの範囲内、中でも０．５〜１ｍｅｑ／ｇの範囲内、特に０．６〜０．９ｍｅｑ／ｇの範囲内であることが好ましい。
【００３０】
また、上記中間イオン交換容量領域は、上記高イオン交換容量領域の外縁に位置するものである。高イオン交換容量領域および中間イオン交換容量領域の境界から、中間イオン交換容量領域および低イオン交換容量領域の境界までの最短距離を、「中間イオン交換容量領域の幅」と定義した場合、その幅としては、特に限定されるものではないが、具体的には０．０５〜１ｃｍの範囲内、中でも０．１〜０．５ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００３１】
また、本発明においては、中間イオン交換容量領域が、さらに複数のイオン交換容量領域を含有するものであっても良い。このような場合、中間イオン交換容量領域は、高イオン交換容量領域側から低イオン交換容量領域側にかけて、段階的にイオン交換容量が減少することが好ましい。固体電解質膜が膨潤した際に生じる歪を、より緩和することができるからである。中間イオン交換容量領域が２種類のイオン交換容量領域を含有する固体電解質膜の例としては、図５に示すように、中間イオン交換容量領域２が、相対的にイオン交換容量が低い低中間イオン交換容量領域２´を低イオン交換容量領域３側に備え、相対的にイオン交換容量が高い高中間イオン交換容量領域２´´を高イオン交換容量領域１側に備えた固体電解質膜等を挙げることができる。図５に示された固体電解質膜においては、イオン交換容量が、高イオン交換容量領域１、高中間イオン交換容量領域２´´、低中間イオン交換容量領域２´、低イオン交換容量領域３の順番で段階的に減少している。
【００３２】
また、特に本発明においては、上記中間イオン交換容量領域のイオン交換容量は、高イオン容量領域側から低イオン交換容量領域側にかけて連続的に減少することが好ましい。中間イオン交換容量領域のイオン交換容量が、連続的に変化することにより、固体電解質膜が膨潤した際に生じる歪を、より緩和することができ、固体電解質膜の破断を防止することができるからである。このようなイオン交換容量が連続的に変化した中間イオン交換容量領域の幅としては、特に限定されるものではないが、具体的には０．０５〜１ｃｍの範囲内、中でも０．１〜０．５ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００３３】
また、中間イオン交換容量領域のイオン交換容量が、段階的または連続的に変化した固体電解質膜の製造方法については、後述する「（６）固体電解質膜の製造方法」で詳細に説明する。
【００３４】
（４）低イオン交換容量領域
次に、本発明における低イオン交換容量領域について説明する。本発明における低イオン交換容量領域は、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置し、上記中間イオン交換容量領域より低いイオン交換容量を有する領域である。
【００３５】
上記低イオン交換容量領域のイオン交換容量としては、上述した中間イオン交換容量より低いイオン交換容量領域を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば０．９ｍｅｑ／ｇ以下、中でも０．５ｍｅｑ／ｇ以下、特に０ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。充分な機械強度を得ることができるからである。
【００３６】
また、上記低イオン交換容量領域は、上記中間イオン交換容量領域の外縁に位置するものである。中間イオン交換容量領域と低イオン交換容量領域との境界から、固体電解質膜の端部までの最短距離を、「低イオン交換容量領域の幅」と定義した場合、その幅としては、特に限定されるものではないが、具体的には０〜１ｃｍの範囲内、中でも０〜０．５ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００３７】
（５）固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜は、上述した高イオン交換容量領域、中間イオン交換容量領域および低イオン交換容量領域を有するものである。ここで、本発明に用いられる固体電解質膜が、正方形である場合における各イオン交換容量領域の幅の割合について説明する。例えば、図６に示すように、高イオン交換容量領域１、中間イオン交換容量領域２および低イオン交換容量領域３を有する正方形の固体電解質膜において、正方形の対角線の交点を「固体電解質膜の中心」とし、その固体電解質膜の中心から、ある一辺までの垂線における各イオン交換容量領域に該当する線分の長さを、高イオン交換容量領域から順に、ａ、ｂおよびｃとする。ここで、ａ＋ｂ＋ｃ＝１とした場合、各線分の長さの比としては、特に限定されるものではないが、例えば、ａ＝０．８〜０．９８の範囲内、ｂ＝０．０１〜０．２の範囲内、ｃ＝０．０１〜０．１の範囲内であることが好ましい。また、本発明に用いられる固体電解質膜が長方形であっても、同様に上記の範囲であることが好ましい。
【００３８】
また、本発明に用いられる固体電解質膜の膜厚としては、良好なプロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には１２〜１２０μｍの範囲内、中でも１５〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明に用いられる固体電解質膜は、固定部材によって固定化されるシール部と、上記シール部の内縁に位置する非シール部と、を有し、上記低イオン交換容量領域が、上記シール部の全部および上記非シール部の一部に存在することが好ましい。低イオン交換容量領域がシール部の全部に存在し、かつ、非シール部の一部にも存在することで、より固体電解質膜の破断が生じ難くすることができるからである。
【００４０】
本発明において、シール部とは、上記固体電解質膜を用いて燃料電池を作製する際に、パッキン等の固定部材によって固定化される部分をいうものである。一方、本発明において、非シール部とは、上記シール部の内縁に位置するものであり、通常、触媒電極層と接触する部分である。本発明において、シール部および非シール部と、上述した各イオン交換容量領域とは、共に固体電解質膜における領域を意味するものであるが、これらは互いに独立した概念である。
【００４１】
このようなシール部および非シール部を有する固体電解質膜としては、例えば図７に示すように、矩形枠状のシール部４と、シール部４の内縁に位置する正方形状の非シール部５と、を有する固体電解質膜等を挙げることができる。
【００４２】
低イオン交換容量領域が上記シール部の全部および上記非シール部の一部に存在する固体電解質膜としては、例えば、図８に示すように、低イオン交換容量領域３が、シール部４の全部に存在し、さらに、低イオン交換容量領域３が、シール部４の内縁に位置する非シール部５の一部にも存在する固体電解質膜を挙げることができる。
【００４３】
また、上記シール部および非シール部の境界から、非シール部に存在する、中間イオン交換容量領域および低イオン交換容量領域の境界までの最短距離を、「非シール部における低イオン交換容量領域の幅」と定義した場合、その幅としては、特に限定されるものではないが、具体的には０〜０．１ｃｍの範囲内、中でも０〜０．０５ｃｍの範囲内であることが好ましい。
【００４４】
（６）固体電解質膜の製造方法
次に、本発明に用いられる固体電解質膜の製造方法について説明する。本発明に用いられる固体電解質膜の製造方法としては、上記イオン交換容量領域を有する固体電解質膜を形成することができる方法であれば特に限定されるものではないが、具体的には、プロトン伝導基を有しないベースフィルムに対して、プロトン伝導基を付与することにより固体電解質膜を得る方法等を挙げることができる。
【００４５】
上記方法の具体例として、ベースフィルムにプロトン伝導基としてスルホン酸基を導入する場合の一例について説明する。まず、ベースフィルムの中で、低イオン交換容量領域となる領域を指定し、その領域に相当するベースフィルムの両表面にＳｉＯ２膜を蒸着法等により設ける。次に、中間イオン交換容量領域となる領域を指定し、その領域に相当するベースフィルムの両表面にガラス繊維等からなる多孔質膜を設ける。これにより、図９（ａ）に示すように、ＳｉＯ２膜６および多孔質膜７を備えたベースフィルム８が得られる。次に、三酸化硫黄溶液を気化させて得られるＳＯ３ガスを、上記ベースフィルム８に接触させると、図９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜６の部分は、ほとんどスルホン酸基が導入されず、低イオン交換容量領域３となり、多孔質膜７の部分は、多孔質膜を通過したＳＯ３ガスのみがベースフィルムに接触するため、中間イオン交換容量領域２となり、ＳｉＯ２膜６および多孔質膜７が存在しない部分は、直接ＳＯ３ガスが接触するため、高イオン交換容量領域１となる。
【００４６】
また、本発明においては、ＳＯ３ガスに接触させる方法の他に、スルホン酸基を有する溶液、例えばクロロスルホン酸とジクロロエタンとの混合溶液等に浸漬させることによっても同様に、異なるイオン交換容量領域を有する固体電解質膜を得ることができる。
【００４７】
また、本発明において、中間イオン交換容量領域のイオン交換容量が段階的または連続的に変化する固体電解質膜の製造方法としては、例えば、図１０（ａ）に示すように、ベースフィルム８上に、多孔質膜７が段階的に変化してなるもの、または図１０（ｂ）に示すようにベースフィルム８上に、多孔質膜７が連続的に変化してなるものを作製し、上記の方法と同じく、ＳＯ３ガスに接触させる方法等を挙げることができる。
【００４８】
２．触媒電極層
次に、本発明に用いられる触媒電極層について説明する。本発明に用いられる触媒電極層は、燃料電池を作製する際に、固体電解質膜の両側に配設されるものである。固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配設された触媒電極層を、膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と呼ぶ場合がある。
【００４９】
本発明に用いられる触媒電極層は、通常、電解質材料と、触媒が担持された導電性材料とを少なくとも含有するものである。本発明に用いられる電解質材料は特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の電解質材料を用いることができる。具体的には、Ｎａｆｉｏｎ（商品名、デュポン株式会社製）に代表されるフッ素系電解質材料、またはプロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系電解質材料等を挙げることができる。また、上記触媒としては、例えばＰｔ等を挙げることができ、上記導電性材料としては、例えばカーボン粉末等を挙げることができる。
【００５０】
また、本発明に用いられる触媒電極層の製造方法としては、所望の触媒電極層を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、具体的には、上記の電解質材料、および触媒が担持された導電性材料等を溶媒に溶解、分散させることにより塗工液を作製し、固体電解質膜上に塗布し、乾燥させる塗布法等が挙げられる。
【００５１】
また、本発明においては、プロトン伝導基を有しないベースフィルムに対して、プロトン伝導基を有する塗工液を塗布することによって、触媒電極層を形成すると同時に、ベースフィルムにプロトン伝導基を導入することができる。具体的には、プロトン伝導基としてスルホン酸基を有する触媒電極層形成用塗工液を用いて、触媒電極層を形成すると同時に、ベースフィルムにスルホン酸基を導入する方法を挙げることができる。この際、触媒電極層形成用塗工液とベースフィルムとが接触した部分に、スルホン酸基が導入される。
【００５２】
上記スルホン酸を有する触媒電極層形成用塗工液としては、通常、電解質材料、触媒および導電性材料が溶媒に溶解、分散した塗工液にスルホン化剤を添加したもの等を挙げることができる。このようなスルホン化剤としては、特に限定されるものではないが、例えばクロロスルホン酸等を挙げることができる。また、上記溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えばジクロロメタン等を挙げることができる。
【００５３】
また、上記触媒電極層形成用塗工液を用いて、ベースフィルムに上述した高イオン交換容量領域、中間イオン交換容量領域、および低イオン交換容量領域を形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、上記スルホン化剤の濃度の異なる２種類の触媒電極層形成用塗工液を用意し、スルホン化剤の濃度の高い触媒電極層形成用塗工液を、ベースフィルムの高イオン交換容量領域に該当する領域に塗布することにより、高イオン交換容量領域を形成し、次いで、スルホン化剤の濃度の低い触媒電極層形成用塗工液を、ベースフィルムの中間イオン交換容量領域に該当する領域に塗布することにより、中間イオン交換容量領域を形成する方法等を挙げることができる。この際、触媒電極層形成用塗工液が塗布されていない領域が低イオン交換容量領域となる。
【００５４】
また、別の方法としては、スルホン酸を有する触媒電極層形成用塗工液を用意し、ベースフィルムにドット状に塗布する方法を挙げることができる。高イオン交換容量領域に該当する領域に対しては、より多くのドットを形成するように塗布し、中間イオン交換容量領域に該当する領域に対しては、より少ないドットを形成するように塗布する方法が挙げられる。この際、最後に、スルホン酸を有しない触媒電極層形成用塗工液を用いて、ドットが形成されていない部分を埋めるように塗布することにより、均一な触媒電極層を得ることができる。また、スルホン酸を有しない触媒電極層形成用塗工液の塗布量を調節することにより、所望の膜厚の触媒電極層を得ることができる。
【００５５】
３．その他の部材
また、本発明の燃料電池は、上記固体電解質膜および上記触媒電極層の他に、ガス拡散層およびセパレータを備えるものである。本発明に用いられる拡散層およびセパレータとしては、通常燃料電池に用いられているものを用いることができ、具体的にはガス拡散層としては、カーボン繊維等を成型したもの等が好適に用いられ、セパレータはカーボンタイプのもの、金属タイプのもの等が好適に用いられる。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５７】
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
［実施例１］
まず、ベースフィルムとして、市販のＰＰＳフィルム（ポリフェニレンサルファイドフィルム、厚み５０μｍ）を用意し、１０ｃｍ×１０ｃｍとなるように加工した。次に、上記ＰＰＳフィルムの各辺から１ｃｍ内部までの部分に対して、蒸着法によりＳｉＯ２膜を設けた。次に、上記ＰＰＳフィルムの各辺から１ｃｍ以上２ｃｍ以下の部分に対して、ガラス繊維からなる多孔質膜を設けた。
【００５８】
次に、このようなＰＰＳフィルムを、３００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、ＰＰＳフィルムに接触しないように、三酸化硫黄溶液を滴下漏斗で所定量滴下した。さらに、フラスコの底をオイルバスで７０℃に加熱し、三酸化硫黄溶液を気化させてＳＯ３ガスを発生させ、上記ＰＰＳフィルムに１０分間接触させスルホン酸基を導入し、高イオン交換容量領域、中間イオン交換容量領域および低イオン交換容量領域を有する固体電解質膜を得た。
上記方法により得られた固体電解質膜の高イオン交換容量領域のイオン交換容量（ＩＥＣ）は１．４ｍｅｑ／ｇ、強度は５０ＭＰａであり、中間イオン交換容量領域のイオン交換容量（ＩＥＣ）は０．８ｍｅｑ／ｇ、強度は７０ＭＰａであり、低イオン交換容量領域のイオン交換容量（ＩＥＣ）は０．２ｍｅｑ／ｇ、強度は１１０ＭＰａであった。
【００５９】
［実施例２］
まず、スルホン化剤としてクロロスルホン酸、溶媒としてジクロロメタンを使用し、白金担持カーボンおよびＮａｆｉｏｎ（商品名、デュポン株式会社製）を混合して、塗工液を得た。次に、ベースフィルムとしてＰＰＳフィルム（厚み５０μｍ、１０ｃｍ×１０ｃｍ）を用意し、このＰＰＳフィルム上に上記塗工液をコーターでドット状に塗工して、高イオン交換容量領域および中間イオン交換容量領域を形成した。さらに、上記スルホン化剤を含有しない塗工液を用いて、上記ドットが形成されていない部分を埋めるように塗布を行った。なお、各イオン交換容量領域の形状は、実施例１と同様とした。次に２４ｈ、５℃で静置後、乾燥させ、イオン交換水で洗浄することにより、高イオン交換容量領域、中間イオン交換容量領域および低イオン交換容量領域を有する固体電解質膜を得た。その後、この固体電解質膜を用いて膜−電極複合体（ＭＥＡ）を作製した。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に用いられる固体電解質膜の一例を示す概略図である。
【図２】従来の固体電解質膜が膨潤する際に生じる歪を示す説明図である。
【図３】本発明に用いられる固体電解質膜が膨潤する際に生じる歪を示す説明図である。
【図４】本発明に用いられる固体電解質膜における高イオン交換容量領域の形状を例示する概略図である。
【図５】本発明に用いられる固体電解質膜の他の例を示す概略平面図である。
【図６】各イオン交換容量領域の位置関係を例示する概略平面図である。
【図７】シール部と非シール部との位置関係を例示する概略平面図である。
【図８】シール部および非シール部と、低イオン交換容量領域との位置関係を例示する概略平面図である。
【図９】本発明に用いられる固体電解質膜の製造方法の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明に用いられる固体電解質膜の製造方法の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  …  高イオン交換容量領域
２  …  中間イオン交換容量領域
３  …  低イオン交換容量領域
４  …  シール部
５  …  非シール部
６  …  ＳｉＯ２膜
７  …  多孔質膜
８  …  ベースフィルム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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